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Projekte "Computerassistierte Chirurgie"

Patientenspezifisches System für die Tiefenhirnstimulation

Entwicklung eines patientenspezifischen Systems für die Tiefenhirnstimulation

Das Ziel des Vorhabens und dessen Innovation ist die Entwicklung einer patientenspezifischen Stereotaxievorrichtung für die Tiefenhirnstimulation, das in halbautomatischer Fertigung bereits alle Raumkoordinaten implementiert und unmittelbar für die OP genutzt werden kann. Diese soll erstmalig zeitaufwendige Justierungen und Adaptionen für den jeweiligen Patienten, wie sie alle bisher genutzten Verfahren erfordern, entbehren und das Potenzial von Ungenauigkeiten und Fehleinstellungen eliminieren helfen.

Tiefenhirnstimulation ist eine Behandlungstechnologie, die zur Therapie von Bewegungsstörungen wie beispielsweise Morbus Parkinson zur Minimierung der unkontrollierten Zitterbewegungen eingesetzt wird.

Computerassistiertes System bei Tumorresektionen

​Entwicklung eines computerassistierten Systems zur Unterstützung von Planung und Durchführung bei Tumorresektionen

Das Ziel des Projektes und Innovation ist die Entwicklung eines Systems zur augmentierten intraoperativen Informationsdarstellung in der Neurochirurgie. Das zentrale Anwendungsgebiet soll die Entfernung von tumorösen Hirngewebe bzw. der Tumorresektion (z.B. Glioblastom) sein. Wesentliche Zielparameter sind eine deutliche Verringerung der Operationszeit sowie eine Erhöhung der Präzision, um intraoperative Traumata zu vermeiden. Das System soll dies erreichen, in dem der ständige Fokuswechsel des Chirurgen zwischen Situs und Operationsmonitor vermieden wird. Bestandteile des Vorhabens sind die Bilddatenfusion unterschiedlicher Modalitäten, die intraoperative Bildgewinnung sowie die Entwicklung eines 3D-Druck basierten Testszenarios.

 

Planung und Fertigung patientenspezifischer Schädelimplantate

Entwicklung eines Systems zur Planung und Fertigung patientenspezifischer Schädelimplantate unter Verwendung additiver Fertigungsverfahren und Techniken des maschinellen Lernens

Das Projektziel ist die Entwicklung einer Prozesskette zur Herstellung patientenspezifischer Schädelimplantate mit 3D-Drucksystemen, mit denen Schädelimplantate aus verschiedenen Materialien wie PEEK / PEKK, Biokeramik und Titan individuell für jeden Patienten hergestellt werden können. Für die CT-basierte präoperative Planung des patientenspezifischen Schädelimplantats wird derzeit eine Software eingesetzt, die mehrere Stunden benötigt, um die relevanten anatomischen Strukturen zu segmentieren und das CAD-Modell des Implantats zu erstellen. Während des Implantat-Planungsprozesses ist derzeit die Interaktion zwischen dem Chirurgen und dem Ingenieur nicht optimal. Ein weiteres Projektziel ist daher die Entwicklung einer Cloud-basierten Planungssoftware mit künstlicher Intelligenz, um die relevanten anatomischen Strukturen innerhalb der CT-Bilder zu segmentieren und automatisch verschiedene Designversionen des Implantats zu erstellen. Der gesamte Prozess soll innerhalb von 48 Stunden die Implantatlieferung ermöglichen, anstatt bisher 2-6 Wochen.

Entwicklung eines intelligenten Hirnspatels

​Entwicklung eines intelligenten Hirnspatels zur Ermittlung der intraoperativen Belastung auf das Hirnparenchym bei neurochirurgischen Eingriffen

Im Rahmen neurochirurgischer Eingriffe am offenen Gehirn werden sogenannte Hirnspatel verwendet, um das höchst empfindliche Hirngewebe (Parenchym) zu separieren und an tieferliegende Zielregionen im Hirninneren zu gelangen. Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines neuartigen Hirnspatels mit integrierter Sensorfunktion zur Erfassung der mechanischen Krafteinwirkung auf das Hirngewebe und zur Signalgabe bei drohender Hirngewebsschädigung. Die von der Sensorik erhobenen Daten sollen dem operierenden Neurochirurgen sowohl intra- (Monitoring) als auch postoperativ zur Verfügung stehen. Letzteres soll im Sinne einer Daten-Auswerteeinheit zur Qualitätssicherung und Risikominimierung für zukünftige neurochirurgische Eingriffe nutzbar gemacht werden können.

Planungssoftware für die Tiefenhirnstimulation

​Entwicklung einer Planungssoftware für die Tiefenhirnstimulation - Probabilistische Traktografie

Ziel des geplanten Forschungsprojektes THSpro ist die Entwicklung eines Softwaretools zur Zielpunktplanung für die Tiefe Hirnstimulation mit hohem Marktpotenzial. Aus Messdaten der diffusionsgewichteten Magnetresonanztomografie werden unter Nutzung der probabilistischen Traktografie die neuronalen Faserbahnen im Gehirn rekonstruiert. Anhand dieser neurologisch-funktionalen Daten wird der Zielpunkt der Tiefen Hirnstimulation bestimmt. Sie wird die Genauigkeit der Zielpunktfindung verbessern und so direkt dem Patientenwohl dienen. Die prozessgesteuerten Handlungsabläufe des Planungsvorgangs werden auf Zeit-, und damit Kostenersparnis, optimiert. Die Schulung und Bedienhilfe wird mit einem interaktiven Videointerface effizient realisiert. Eine eigens konzipierte VSEO-Strategie wird Experten und Betroffene helfen sich umfassend zu informieren.

Methoden des maschinellen Lernens werden eingesetzt, um die zeitaufwendigen Berechnungen der probabilistischen Traktografie zu verkürzen. Dies bedeutet einen zeiteffektiveren Planungsvorgang und spart Kosten.

Patientenspezifische 3D-gedruckte Gefäßmodelle

​Bei der Therapie lebensbedrohlicher Aneurysmen der Hauptschlagader, der Aorta, werden während der OP sehr zeitaufwändig die Koordinaten der Gefäßabzweige von den Röntgenbildern auf das Gefäßimplantat übertragen. Mit Hilfe 3D-gedruckter patientenspezifischer Gefäßmodelle als Schablone können Gefäßabzweige auf dem Gefäßimplantat markiert werden.

Damit kann das Gefäßimplantat hochpräzise und 90 Minuten schneller im Patienten platziert werden.

Patientenspezifische 3D-gedruckte Helme für Kinder

Durch verschiedene Umstände können Kleinkinder einen deformierten Kopf aufweisen. Dies kann zum Beispiel Pränatal bei Enge in der Gebärmutter, Perinatal durch Traumata während der Geburt, wie die Beckenendlage und Postnatal durch funktionelle oder anatomische Zwangslagen oder einer permanenten Rückenlage auftreten.

Die Helmorthese nutzt das Wachstum des Kopfes aus, um seine Form zu korrigieren. Er liegt an den prominenten Arealen des Kopfes an, das Wachstum ist deshalb hier während der Behandlungszeit unterdrückt. Er lässt Platz an den abgeflachten Stellen und ermöglicht das Wachstum in die ideale Form hinein.

3D-gedruckte Modelle für die Planung komplexer Operationen

Patientenspezifische 3D-gedruckte Modelle für die Planung komplexer Operationen und der Implantatplatzierung

Im Rahmen einer präzisen Knochenschraubenfixierung oder Knochenrepositionierung können für die Wirbelsäulen- und Beckenchirurgie sowie für die Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie Bohr- und Sägeschablonen gefertigt werden.

Zudem ermöglichen patientenspezifische Modelle der Patienten-Anatomie eine sichere Planung komplexer Operationen.

Publikationen

  • ​Branzan, Daniela; Geisler, Antonia; Grunert, Ronny; Steiner, Sabine; Bausback, Yvonne; Gockel, Ines et al. (2021): The Influence of 3D Printed Aortic Models on the Evolution of Physician Modified Stent Grafts for the Urgent Treatment of Thoraco-abdominal and Pararenal Aortic Pathologies. In European journal of vascular and endovascular surgery : the official journal of the European Society for Vascular Surgery 61 (3), pp. 407–412. DOI: 10.1016/j.ejvs.2020.10.023.
  • Branzan, Daniela; Winkler, Dirk; Schmidt, Andrej; Scheinert, Dierk; Grunert, Ronny (2019): 3-Dimensional Aortic Model to Create a Fenestrated Stent Graft for the Urgent Treatment of a Paravisceral Penetrating Aortic Ulcer. In JACC. Cardiovascular interventions 12 (8), pp. 793–795. DOI: 10.1016/j.jcin.2018.10.024.
  • Dietterle, Johannes; Wende, Tim; Wilhelmy, Florian; Eisenlöffel, Christian; Jähne, Katja; Taubenheim, Sabine et al. (2020): The prognostic value of peri-operative neurological performance in glioblastoma patients. In Acta neurochirurgica 162 (2), pp. 417–425. DOI: 10.1007/s00701-019-04136-4.
  • Grunert, Ronny; Klietz, Sandra; Gardner, Paul A.; Fernandez-Miranda, Juan C.; Snyderman, Carl H. (2018): Evaluation of bendable surgical suction devices made of shape-memory alloy for the endonasal transsphenoid removal of pituitary tumors. In Ear, nose, & throat journal 97 (12), pp. 413–416. DOI: 10.1177/014556131809701211.
  • Grunert, Ronny; Krause, Andre; Feig, Silvio; Meixensberger, Juergen; Rotsch, Christian; Drossel, Welf-Guntram et al. (2019): A technical concept of a computer game for patients with Parkinson's disease - a new form of PC-based physiotherapy. In The International journal of neuroscience 129 (8), pp. 770–775. DOI: 10.1080/00207454.2019.1567510.
  • Gutmann, Sarah; Winkler, Dirk; Müller, Marcel; Möbius, Robert; Fischer, Jean-Pierre; Böttcher, Peter et al. (2020): Accuracy of a magnetic resonance imaging-based 3D printed stereotactic brain biopsy device in dogs. In Journal of veterinary internal medicine 34 (2), pp. 844–851. DOI: 10.1111/jvim.15739.
  • Haas, Kirsten; Stangl, Stephanie; Steigerwald, Frank; Matthies, Cordula; Gruber, Doreen; Kühn, Andrea A. et al. (2019): Development of evidence-based quality indicators for deep brain stimulation in patients with Parkinson's disease and first year experience of implementation of a nation-wide registry. In Parkinsonism & related disorders 60, pp. 3–9. DOI: 10.1016/j.parkreldis.2019.01.016.
  • Haensig, Martin; Kuntze, Thomas; Grunert, Ronny; Boecking, Richardt; Owais, Tamer (2020): Closure of a Paravalvular Leak in Transcatheter Aortic Valve Replacement Using the Candy-Plug Technique. In JACC. Cardiovascular interventions 13 (15), e137-e139. DOI: 10.1016/j.jcin.2020.03.030.
  • Hammer, Niels; Glätzner, Juliane; Feja, Christine; Kühne, Christian; Meixensberger, Jürgen; Planitzer, Uwe et al. (2015): Human vagus nerve branching in the cervical region. In PloS one 10 (2), e0118006. DOI: 10.1371/journal.pone.0118006.
  • Hammer, Niels; Scholze, Mario; Kibsgård, Thomas; Klima, Stefan; Schleifenbaum, Stefan; Seidel, Thomas et al. (2019): Physiological in vitro sacroiliac joint motion. A study on three-dimensional posterior pelvic ring kinematics. In Journal of anatomy 234 (3), pp. 346–358. DOI: 10.1111/joa.12924.
  • Hantsche, Annika; Wilhelmy, Florian; Kasper, Johannes; Wende, Tim; Hamerla, Gordian; Rasche, Stefan et al. (2021): Early prophylactic anticoagulation after subarachnoid hemorrhage decreases systemic ischemia and improves outcome. In Clinical neurology and neurosurgery 207, p. 106809. DOI: 10.1016/j.clineuro.2021.106809.
  • Jung, Anna; Arlt, Felix; Rosolowski, Maciej; Meixensberger, Jürgen (2019): Early Prognostication after Traumatic Brain Injury. Specific Validation of the IMPACT Prognostic Calculator in a Level 1 Trauma Center. In Journal of neurological surgery. Part A, Central European neurosurgery 80 (6), pp. 423–429. DOI: 10.1055/s-0039-1685137.
  • Kasper, Johannes; Hilbert, Nicole; Wende, Tim; Fehrenbach, Michael Karl; Wilhelmy, Florian; Jähne, Katja et al. (2021): On the Prognosis of Multifocal Glioblastoma. An Evaluation Incorporating Volumetric MRI. In Current oncology (Toronto, Ont.) 28 (2), pp. 1437–1446. DOI: 10.3390/curroncol28020136.
  • Knoop, Nicolas; Seidel, Clemens; Frydrychowicz, Clara; Meixensberger, Jürgen (2019): Combined Microsurgery and Radiotherapy for Multiple Spinal Cord Hemangioblastomas with Holocord Syrinx in von Hippel-Lindau Disease. A Case Report. In Journal of neurological surgery reports 80 (4), e46-e50. DOI: 10.1055/s-0039-3401808.
  • Kreßner, Maika; Arlt, Felix; Riepl, Wolf; Meixensberger, Jürgen (2018): Prognostic factors of microsurgical treatment of intracranial meningiomas - A multivariate analysis. In PloS one 13 (10), e0202520. DOI: 10.1371/journal.pone.0202520.
  • Matzke, Cornelia; Lindner, Dirk; Schwarz, Johannes; Classen, Joseph; Hammer, Niels; Weise, David et al. (2015): A comparison of two surgical approaches in functional neurosurgery. Individualized versus conventional stereotactic frames. In Computer aided surgery : official journal of the International Society for Computer Aided Surgery 20 (1), pp. 34–40. DOI: 10.3109/10929088.2015.1076042.
  • Müller, Marcel; Winkler, Dirk; Möbius, Robert; Sauerstein, Tobias; Scholz, Sebastian; Gutmann, Sarah et al. (2019): A concept for a 3D-printed patient-specific stereotaxy platform for brain biopsy -a canine cadaver study. In Research in veterinary science 124, pp. 79–84. DOI: 10.1016/j.rvsc.2019.02.007.
  • Planitzer, Uwe; Hammer, Niels; Bechmann, Ingo; Glätzner, Juliane; Löffler, Sabine; Möbius, Robert et al. (2017): Positional Relations of the Cervical Vagus Nerve Revisited. In Neuromodulation : journal of the International Neuromodulation Society 20 (4), pp. 361–368. DOI: 10.1111/ner.12557.
  • Schob, Stefan; Becher, Anett; Bhogal, Pervinder; Richter, Cindy; Hartmann, Anna; Köhlert, Katharina et al. (2019): Segment Occlusion vs. Reconstruction-A Single Center Experience With Endovascular Strategies for Ruptured Vertebrobasilar Dissecting Aneurysms. In Frontiers in neurology 10, p. 207. DOI: 10.3389/fneur.2019.00207.
  • Schob, Stefan; Richter, Cindy; Scherlach, Cordula; Lindner, Dirk; Planitzer, Uwe; Hamerla, Gordian et al. (2019): Delayed Stroke after Aneurysm Treatment with Flow Diverters in Small Cerebral Vessels. A Potentially Critical Complication Caused by Subacute Vasospasm. In Journal of clinical medicine 8 (10). DOI: 10.3390/jcm8101649.
  • Wende, Tim; Hamerla, Gordian; Quäschling, Ulf; Haase, Amelie; Meixensberger, Jürgen; Nestler, Ulf (2020): Persistent hyperprolactinemia, transient hypopituitarism, and transient contralateral third nerve palsy after endovascular treatment of an internal carotid artery aneurysm. Case report and review of the literature. In SAGE open medical case reports 8, 2050313X20948714. DOI: 10.1177/2050313X20948714.
  • Wende, Tim; Hoffmann, Karl-Titus; Meixensberger, Jürgen (2020): Tractography in Neurosurgery. A Systematic Review of Current Applications. In Journal of neurological surgery. Part A, Central European neurosurgery 81 (5), pp. 442–455. DOI: 10.1055/s-0039-1691823.
  • Wende, Tim; Kasper, Johannes; Wilhelmy, Florian; Dietel, Eric; Hamerla, Gordian; Scherlach, Cordula et al. (2021): Assessment of a Reliable Fractional Anisotropy Cutoff in Tractography of the Corticospinal Tract for Neurosurgical Patients. In Brain sciences 11 (5). DOI: 10.3390/brainsci11050650.
  • Wetzel, Dominik; Spahn, Nico; Heilemann, Martin; Loffler, Marcus M.; Seidel, Markus; Kolbig, Silke; Winkler, Dirk (2019): Evaluation of electroencephalography analysis methods. In Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Annual International Conference 2019, pp. 767–773. DOI: 10.1109/EMBC.2019.8857230.
  • Wilhelmy, Florian; Hantsche, Annika; Wende, Tim; Kasper, Johannes; Reuschel, Vera; Frydrychowicz, Clara et al. (2020): Perioperative anticoagulation in patients with intracranial meningioma. No increased risk of intracranial hemorrhage? In PloS one 15 (9), e0238387. DOI: 10.1371/journal.pone.0238387.
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